雙通道智能分層注水工藝研究與應(yīng)用

白鵬飛

（中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452）

0 引言

油田注水開發(fā)是當(dāng)前眾多油田的主要開發(fā)方式之一。與陸地油田相比，海上油田注水井單井注入量大，但由于海上油田層間矛盾突出，造成各層段注入量不均問題非常明顯。以渤海油田為例，一口注水井中吸水能力較好的層段單日注入量可高達(dá)上千方，而吸水能力較差的層段單日注入量可低至十?dāng)?shù)方，注水井排量跨度較大，對注水工作筒提出了更高的要求。

目前現(xiàn)有的分層注水技術(shù)調(diào)配過程均需要人為干預(yù)[1-4]，投撈式配水器調(diào)配需要反復(fù)投撈配水器芯子進(jìn)行人工更換水嘴[5,6]，邊測邊調(diào)配水器需要電纜作業(yè)配合人為控制井下水嘴開度[7,8]，自動測調(diào)配水器雖然可以以測試實際注水量與配注量的差值為依據(jù)對配水器水嘴開度自動進(jìn)行相應(yīng)的開大或關(guān)小，但是海上油田各層吸水量差異大，部分層段吸水能力有限，即使配水器水嘴全部打開也存在無法達(dá)到配注量的情況，此時自動測調(diào)配水器持續(xù)進(jìn)行水嘴開度調(diào)節(jié)，需人為干預(yù)進(jìn)行停止，現(xiàn)場應(yīng)用效果并不理想[9-15]。

1 雙通道分層注水工具

針對現(xiàn)有產(chǎn)品存在的問題，設(shè)計一種海上油田注水井雙通道流量控制系統(tǒng)及方法，解決海上油田大測試范圍需求下的自動流量控制問題。將以往的注水井被動測調(diào)變?yōu)橹鲃幼詣訙y調(diào)，適用于海上油田大測試范圍的分層注水測試、調(diào)配，利用不同排量的兩個工具，實現(xiàn)雙通道智能分層注水。

1.1 工作原理

雙通道智能分層注水控制系統(tǒng)將信號電纜作為系統(tǒng)電力及信號的傳輸介質(zhì)，設(shè)計有兩個內(nèi)通徑大小不同的測控過流通道。兩個過流通道的下端連通，并通過測調(diào)水嘴的閥芯軸向位置變化，實現(xiàn)出水口與過流通道的調(diào)節(jié)，同時實現(xiàn)出水口與過流通道之間過流面積的調(diào)控，達(dá)到海上油田注水井分層注水量10m3/d～1000m3/d流量精確測控的目的。

雙通道智能分層注水控制系統(tǒng)測控電路由采集模塊、水嘴調(diào)節(jié)模塊和控制模塊組成，在控制模塊的協(xié)調(diào)控制下可完成分層注水?dāng)?shù)據(jù)的自動采集和水嘴開度自動調(diào)節(jié)；地面綜合診斷分析控制儀設(shè)有分析處理模塊、存儲模塊和發(fā)解碼模塊，通過信號電纜與配水器的測控電路的發(fā)解碼模塊連接。地面綜合診斷分析控制儀和雙測控通道配水器雙向通訊，一方面實時接收雙測控通道配水器采集的分層注水?dāng)?shù)據(jù)，根據(jù)實時注水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行自動分析并給出優(yōu)化的水嘴開度數(shù)據(jù)；另一方面，將水嘴開度數(shù)據(jù)與調(diào)控指令下發(fā)給雙測控通道配水器，并實時監(jiān)測雙測控通道配水器的分層注水量和水嘴調(diào)控過程，指導(dǎo)雙測控通道配水器水嘴自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)智能注水。

有纜測調(diào)工作筒下井到位后，管柱內(nèi)的水流經(jīng)過接頭流入儀器。在儀器內(nèi)部水流分為兩部分：一部分經(jīng)過流管流向下層，一部分經(jīng)過儀器內(nèi)部流量計和水嘴后流入本層。本層流量流經(jīng)流量計便可完成流量測量，水嘴開度可調(diào)節(jié)，用于調(diào)節(jié)注水流量。

儀器的上、下接頭分別用于連接油管管柱。儀器內(nèi)部的螺環(huán)組件主要用于兩端連接電纜；電路板組件用于采集和處理各傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過電纜發(fā)送至地面，同時用于接收地面指令；水嘴用于注水開關(guān)機(jī)流量調(diào)節(jié)；流量計用于計算本層注入流量。電路板組件內(nèi)還設(shè)計了壓力、溫度傳感器，用于測量油管壓力、底層壓力和儀器的環(huán)境溫度，壓力傳感器同時可用于封隔器的驗封。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

有纜測調(diào)工作筒的技術(shù)指標(biāo)見表1。有纜測調(diào)工作筒可測量當(dāng)前注水層的流量、流量測量范圍為60m3/d~500 m3/d，有纜測作筒可測量注水壓力、地層壓力，壓力測量范圍為0 MPa～60 MPa，溫度測量范圍為0℃～120℃。

表1 3.88″有纜測調(diào)工作筒技術(shù)指標(biāo)Table 1 Specifications of 3.88″ cabled test and adjustment mandrel

1.3 工具特點

1）適用范圍廣。目前可實現(xiàn)深井、多層細(xì)分注水的海上開發(fā)井，不受井斜限制，單層排量范圍大，適用于各種井型。

2）安全性高。雙通道智能分層注水工藝完全采用成熟的控制機(jī)構(gòu)及測試機(jī)構(gòu)，井下工具穩(wěn)定性高。

3）滿足寬量程需求。通過雙通道設(shè)置，分別滿足了單層大排量及小排量精細(xì)測試的需求，單只儀器適用量程范圍廣，排量范圍可達(dá)60 m3/d～500 m3/d，對海上油田精細(xì)化注采具有重大意義。

2 雙通道排量節(jié)流壓差有限元分析與試驗

雙通道有纜智能測調(diào)工作筒采用大小通道分別實現(xiàn)了不同排量的測試，因此針對不同通道的節(jié)流件進(jìn)行有限元分析模擬，驗證通道的節(jié)流壓差，滿足現(xiàn)場節(jié)流需求。

根據(jù)工作筒內(nèi)過流通道的設(shè)計尺寸，提取出儀器流道，并導(dǎo)入FLUENT中流量計流道結(jié)構(gòu)。對流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對孔板及出水口部分網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。在入水口和出水口分別設(shè)置壓力作為邊界條件，模擬儀器進(jìn)出口條件。分別計算各邊界條件下的流量，流量數(shù)據(jù)見表2。

利用表2中的數(shù)據(jù)繪制流量壓損關(guān)系曲線，如圖1。壓差與流量呈近似二次曲線管線關(guān)系。

圖1 流量壓損關(guān)系曲線Fig.1 Flow pressure loss relationship curve

表2 流量通道邊界條件與計算流量Table 2 Flow channel boundary conditions and calculated flow

在有限元分析的基礎(chǔ)上對某支儀器進(jìn)行實際流量壓損數(shù)據(jù)標(biāo)定，分別記錄孔前、孔后壓力數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)記錄見表3。

通過對表3數(shù)據(jù)分析，流量標(biāo)定曲線如圖2。試驗表明，壓差與流量的平方成正相關(guān)關(guān)系，擬合公式為：

圖2 流量檢定曲線Fig.2 Flow verification curve

表3 計算流量和標(biāo)定臺流量Table 3 Calculated flow and calibration bench flow

其中，P為壓差，Pa；Q為流量，m3/d。

根據(jù)擬合公式，計算當(dāng)排量小于536.45m3/d，壓力損失小于1Mpa，滿足單層注入500m3/d的設(shè)計要求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

雙通道智能分層注水工藝技術(shù)在渤海油田已現(xiàn)場應(yīng)用20余井次，滿足了不同排量的需求，每口井調(diào)配層數(shù)≥2，調(diào)配精度滿足油藏需求，為精細(xì)注水提供了重要技術(shù)保障。以X-01井為例，該井分5層注水，配注量為1216 m3/d，更換為智能分注管柱后，利用雙通道有纜智能測調(diào)工作筒，經(jīng)過分層調(diào)配作業(yè)實際注入量為1228 m3/d，單層最大注入誤差為2.63%，均在允許誤差范圍內(nèi)。X-01井配注量與實際注入情況見表4。

表4 X-01井注入情況Table 4 Injection of well X-01

4 結(jié)論

1）大排量分層注水技術(shù)，滿足了大排量注入需求，又同時滿足了小排量精細(xì)注水的需求，單個工作筒可滿足60m3/d～500m3/d注入需求。

2）通過有限元分析及現(xiàn)場試驗表明，單層排量為536.45 m3/d，壓力損失小于1 MPa，滿足單層注入500 m3/d的設(shè)計要求。

3）現(xiàn)場應(yīng)用表明，雙通道智能分層注水管柱工具可靠，配注量與實際注入量誤差較小，滿足現(xiàn)場分注需求，為全面實現(xiàn)渤海油田智能測調(diào)提供了解決思路。